半导体第十三讲金属化与平坦化

集成电路的各个组件制作完成后，需要按照设计要求将这些组件进行相应的连接以形成一个完整的电路系统，并提供与外电路相连接的接点，完成此项任务的就是金属布线。金属化就是在组件制作完成的器件表面淀积金属薄膜，金属线在IC中传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线的影响。平坦化就是将wafer表面起伏不平的介电层加以平坦的工艺。经过平坦化处理的介电层，没有高低落差，在制作金属线时很容易进行，而且光刻出的连线图形比较精确。1当前1页，总共59页。欧姆接触加工成型的金属互连线与半导体之间由于功函数的差异会形成一个势垒区。若只是简单的将金属和半导体连接在一起，接触区就会出现整流效应，这种附加的单向导电性，使得晶体管或集成电路不能正常工作。要使接触区不存在整流效应，就是要形成欧姆接触，良好的欧姆接触应满足以下的条件：电压与电流之间具有线性的对称关系；接触电阻尽可能低，不产生明显的附加阻抗；有一定的机械强度，能承受冲击、震动等外力的作用。2当前2页，总共59页。1.欧姆接触的形成条件金属铝与轻掺杂浓度（）的N型硅接触时，形成整流接触；当提高N型硅的掺杂浓度（）后，接触区的整流特性严重退化，电压-电流的正反向特性趋于一致，即由整流接触转化为欧姆接触。势垒越窄，遂穿效应越明显，而势垒的宽度取决于半导体的掺杂浓度，掺杂浓度越高，势垒越窄。因此，只要控制好半导体的掺杂浓度，就可以得到良好的欧姆接触。3当前3页，总共59页。4当前4页，总共59页。2.欧姆接触的制备需要制备欧姆接触的地方并非都是重掺杂区，因次，必须对要制作接触区的半导体进行重掺杂，以实现欧姆接触。常用的方法有扩散法和合金法。合金法又叫烧结法，这种方法不仅可以形成欧姆接触，而且也可制备PN结。合金时，将金属放在wafer上，装进模具，压紧后，在真空中加热到熔点以上，合金溶解与wafer凝固而结合在一起，形成欧姆接触，合金完成。整个过程分为升温、恒温、降温三个阶段。5当前5页，总共59页。温度是合金质量好坏的关键。合金的方法很多，可在扩散炉或烧结炉中通惰性气体或抽真空；也可在真空中进行。6当前6页，总共59页。金属布线金属层包括互连、接触以及栓塞等。互连是由铝、多晶硅或铜等材料制成使不同器件之间的电信号可相互传输的金属连线；接触是芯片内的器件与第一层金属在wafer表面的连接；通孔是穿过介质层在某两层金属层之间形成导电通路的开口；栓塞是通孔中填入的使金属层间电气导通的部分。随着IC尺寸的减小，对金属布线的要求也越来越高：电阻率要低、稳定性要高；可被精细的刻蚀，具有抗环境侵蚀的能力；易于淀积成膜，粘附性要好，台阶覆盖能力强；互连线应具有很强的抗电迁移能力，可焊性好。7当前7页，总共59页。1.多层金属布线（1）多层金属布线结构为了提高电路速度、集成度、缩短互连线，大规模集成电路的金属层都是多层金属布线层。为了防止金属层之间的短路，在层间淀积了介电层起到隔离作用。8当前8页，总共59页。（2）多层电极在一般的IC制造中通常采用铝作为电极，但对于高频大功率器件、微波器件等会由于采用铝电极而导致器件失效。要找到一种能完全代替铝的金属材料非常困难，金的导电性很好但与二氧化硅之间的粘附性却很差，而且在高温下会与硅形成金-硅合金；钼、铂等金属虽然熔点很高，但又难以键合。因而只有采用多层金属电极。利用几种金属各自的优点，取长补短，制作出符合要求的电极。9当前9页，总共59页。多层金属电极大致可分为两类：用于微波晶体管、超高频低噪声管等器件的铝基系统和用于高频大功率管的金基系统。按器件经受的环境和使用的条件不同，采用不同的多层金属结构。但按照作用，大体可分为四层（由硅片表面向外依次为）：欧姆接触层、粘附层、阻挡层以及导电层。欧姆接触层的作用是与半导体层形成良好的欧姆接触，性能稳定，不与硅或电路中相邻的其它材料形成高阻化合物，厚度约几十纳米，目前最常用的是硅化钛。10当前10页，总共59页。粘附层起到将接触层与二氧化硅和上面的金属层粘和起来的作用，以便在二氧化硅上形成可靠的引线键合点。生产上经常将粘附层与接触层或阻挡层结合在一起。阻挡层一方面是为了防止导电层材料渗透至器件表面与硅形成合金，另一方面又要阻挡导电层与下层金属形成高阻化合物。因而，作为阻挡层的金属与硅的合金温度要足够高，而且不会与相邻的金属形成高阻化合物。常用的是高熔点金属钨、钼、镍等。11当前11页，总共59页。导电层的电阻率要低，稳定性好，还要利于压焊引线，常用的是铝、铜等材料。12当前12页，总共59页。2.器件互连（1）对用于器件互连的金属材料有以下一些要求：电导率：为了保证器件电性能的完整性，金属材料必须具有高的电导率，能够传导高的电流密度；粘附性：材料须与下层衬底之间有良好的粘附性，容易与外电路实现电连接。与半导体及器件中的其它金属之间连接时接触电阻低；淀积：易于淀积，且经过低温处理后具有均匀的结构；13当前13页，总共59页。图形：在金属层反刻时，与下层介质间的刻蚀分辨率高，易于平坦化；可靠性：为了在处理和应用过程中经受得住温度的循环变化，金属应相对柔软且具有较好的延展性；抗腐蚀性：抗腐蚀性要好，在层与层之间以及与下层器件区之间具有最小的化学反应；应力：抗机械应力性好，以便减少wafer的扭曲和断裂、空洞以及应力等造成的材料失效。14当前14页，总共59页。（2）互连金属最早用于集成电路制造的金属就是铝，它也是最普遍的互连金属，以薄膜的形式在wafer中连接不同的器件。室温下，铝的电阻率比铜、金、银的电阻率稍高，但是由于铜和银比较容易腐蚀，在硅和二氧化硅中的扩散率太高，这些都不利于它们用于集成电路的制造；另外，金和银的成本比铝高，而且与二氧化硅的粘附性不好，所以，也不常用。铝则能很容易的淀积在wafer上，而且刻蚀时分辨率较高，所以，作为首选金属用于金属化。15当前15页，总共59页。对于多层电极系统，由于铜具有更低的电阻率，已在逐步取代铝成为主要的互连金属材料。16当前16页，总共59页。当电流密度较大时，电子与铝原子碰撞，使得铝原子发生电迁移，原子移动导致原子在负极的损耗，发生损耗的地方会出现空洞，金属连线变薄，极易引起断路，器件可靠性较低。而在其它区域，由于原子的堆积会造成金属薄膜上出现小丘，小丘短接会导致相邻的两条连线发生短路。器件工作时，随着温度的增加，这两种缺陷会使铝的电迁移更加严重，继而形成恶性循环。向铝中加入少量的铜（0.5%～4%），电迁移被有效的抑制。但由于铜的抗腐蚀性较差，所以，金属反刻17当前17页，总共59页。后若有剩余的铜就会促使侵蚀的发生。钨可应用于小范围的局部金属互连。钨的抗电迁移性好，可靠性比铝铜合金高。作为局部连线，钨的电阻率较低，但对于长距离的连线，还是选择铝铜合金较好。18当前18页，总共59页。（3）阻挡层金属阻挡层金属是淀积金属或金属塞，其作用是阻止上下层材料互相混合，对于0.18μm工艺，阻挡层金属厚约20nm。阻挡层金属应具有以下基本特性：能很好的阻挡材料的扩散；电导率高，且有很低的欧姆接触电阻；与半导体以及金属间的粘附性很好；抗电迁移能力强；阻挡层很薄时稳定性仍然很高；抗侵蚀和氧化性要好。19当前19页，总共59页。通常用于阻挡层的金属是钛、钨、钽等难熔金属。铜在硅和二氧化硅中的扩散率都很高，传统的阻挡层远不能满足阻挡铜扩散的需要，需要有一层薄膜阻挡层将铜完全包装起来。作为铜的阻挡层金属材料需满足以下要求：阻止铜扩散；薄膜电阻低；与介质材料和铜的粘附性都很好；台阶覆盖性好等。钽、氮化钽和钽硅氮都是铜阻挡层的备选材料。为了不影响深宽比较高的栓塞的电阻率，阻挡层必须很薄。20当前20页，总共59页。（4）硅化物难熔金属与硅反应形成硅化物，硅化物的热稳定性较高，并且硅-难熔金属界面的电阻率较低。为了提高芯片性能，需要减小硅接触电阻，所以，硅化物是非常重要的。21当前21页，总共59页。若参加反应的是多晶硅，形成的是多晶硅化物，多晶硅栅的电阻率较高，导致RC信号的延迟。多晶硅化物对减小连接多晶硅的电阻有益，而且与氧化硅的界面特性也很好。硅化物是把难熔金属淀积在wafer上，进行高温退火处理形成的。钛/硅是最普遍的接触硅化物，它用作晶体管有源区和钨栓塞之间的接触。因为颗粒尺寸比钛/硅的尺寸小了约十倍，钴硅化物的接触电阻很低。颗粒尺寸小也使得它的接触电阻比较容易形成。因此，对于小尺寸器件，钴硅化物是很有希望的硅化物。22当前22页，总共59页。在一些硅化物中发现，硅迅速的扩散穿过硅化物。扩散发生在金属-硅化物-硅系统的热处理过程中，硅扩散穿过硅化物进入到金属中，降低了系统的完整性。所以需要在硅化物和金属层之间淀积一层金属阻挡层，氮化钛用于钨和铝的金属阻挡层，钽用于铜的金属阻挡层。23当前23页，总共59页。填充生产金属硅化物的步骤如下：

依次用有机溶液、稀释过的氢氟酸和去离子水除去wafer表面的杂质，再用氮气干燥wafer。

快速将清洗干燥后的wafer金属淀积腔内，有的wafer需要采用氩离子溅射法清洁表面；

在wafer上淀积厚约20～200nm的金属薄膜，衬底温度保持室温，也可在较高或较低的温度下进行淀积；

采用各种退火方法进行热退火，包括传统的烧结退火和快速热退火，以便反应生产金属硅化物；24当前24页，总共59页。3.栓塞多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来填充。用于制作栓塞的材料有很多种，但实用性较高，且已被集成电路制造广泛应用的是钨塞和铝塞。25当前25页，总共59页。钨塞的制备有毯覆式金属钨淀积和选择性金属钨两种。毯覆式金属钨淀积也叫反刻钨塞工艺，采用化学气相淀积法生长钨薄膜后，将wafer上多余的钨刻蚀掉，是最广泛的制备技术。选择性金属钨工艺中，钨只在接触窗底部成核生长，直至长满整个孔洞，介质层表面不会生长钨膜，所以，不需附加粘着层，也不需进行钨反刻，工艺简单。但互连可靠性较低，而且钨要同时填满接触窗也很困难。因此，集成电路制造不采用此法。

26当前26页，总共59页。PVD法制备的铝膜台阶覆盖能力较差，接触窗或通孔开口的水平方向有较厚的铝淀积，孔洞内壁的铝膜较薄，易产生孔隙，影响可靠性。CVD法制备的铝膜电阻率低，台阶覆盖能力强。因此，通常选择铝作为互连材料，钨作为栓塞填充材料。27当前27页，总共59页。金属膜的制备金属薄膜的制备方法有蒸发、溅射、金属CVD以及电镀等。1.金属CVD

CVD有很强的台阶覆盖能力，具有良好的高深宽比接触和无间隙式的填充，在金属淀积方面应用非常广泛。28当前28页，总共59页。（1）氮化钛CVD金属化系统中氮化钛主要作为Al、Cu以及W的金属阻挡层，可以阻止上下层材料间的交互扩散，增强稳定性和可靠性。PVD法制备的氮化钛膜会在接触窗或介质窗顶部产生悬突，继而导致孔洞的产生。所以，氮化钛通常采用金属化学气相淀积法制备。29当前29页，总共59页。氮化钛CVD根据参加反应的气体分为有机和无机两种，无机的氮化钛CVD气体源主要是四氯化钛，有机的则主要是是TDMAT和TDEAT两种。无机气体淀积由于淀积温度过高以及残留氯原子影响器件的可靠性等问题，不常采用。而有机淀积的温度较低，所以氮化钛的淀积通常采用金属有机化学气相淀积（MOCVD）。MOCVD可分为TDMAT/TDEAT和TDMAT+/TDEAT+两大类，反应气体中不含氨气时，淀积膜的阻值太大，而且C、O含量过多，生长温度也较高。30当前30页，总共59页。加入氨气可将生长温度降至450℃以下，淀积膜的电阻率下降，因此可用于通孔填充。MOCVD的化学反应活化能很低，是扩散限制的反应机制，镀膜速率与反应物扩散至wafer表面的速率有关，所以当反应物扩散至通孔内壁时产生反应成键，覆盖率较低。针对MOCVD法淀积的氮化钛膜含C、O量过多的问题，有一些方法加以改善：快速热退火、氮气等离子体法、硅烷气体处理。31当前31页，总共59页。（2）钨CVD钨在高电流密度下有很好的抗电迁移能力，不会形成小丘导致线路短接，且低压下可与硅形成良好的欧姆接触，常常用作接触窗以及介质窗的填充金属和扩散阻挡层。因其电阻率较低，也常用于多层互连及局域互连。钨CVD典型的被淀积成垫膜的形式，最常采用的是通过与氢气反应生成钨32当前32页，总共59页。为了阻止钨的扩散、保证它能很好的粘附在下层材料上，需要在淀积钨之前淀积一层氮化钛膜。而为了得到低的接触电阻，又需要在淀积氮化钛之前淀积钛。所以，垫膜CVD的第一步是采用物理气相淀积法制备钛膜，接着淀积一层氮化钛膜，最后再进行钨的淀积与平坦化.33当前33页，总共59页。34当前34页，总共59页。35当前35页，总共59页。（3）铜CVD在合适的工艺条件下，CVD法淀积铜膜可实现选择性淀积，铜膜只会淀积在金属表面，不会淀积到氧化物表面上。因此，可先用金属和氧化物定义出需要的淀积图案。CVD法淀积铜膜的速率是由表面的反应速度控制的过程，淀积的铜膜平整均匀、表面非常光滑，而且台阶覆盖能力和通孔填充能力都很强。化学气相淀积法制备铜膜，首先必须选择合适的前驱物，目前，通常选择有机的铜化合物。这类化合物经过化学反应生成的铜原子会淀积成膜。36当前36页，总共59页。2.铜电镀传统的物理气相淀积法制备铜，成本高，而且很难填充细小的孔洞。而电镀法制备铜具有成本低、工艺简单以及反应温度低的优点，加之良好的孔洞填充能力和低的电阻率，颇具应用潜力。铜电镀的基本原理是将具有导电表面的wafer浸泡在硫酸铜溶液中，溶液中包含需要被淀积的铜。Wafer作为带负电荷的平板或阴极连接至外电源，固体铜块沉浸在溶液中构成带正电荷的阳极。电流从wafer进入溶液到达铜37当前37页，总共59页。阴极，当电流流动时，铜离子与电子反应生成铜原子，反应如下：此反应发生在wafer表面，生成的铜原子在wafer表面淀积成膜。控制电镀的是时间和电流。没有电流时，阳极、阴极以及溶液之间相互平衡，加上电压时，阳极和阴极之间产生电流，金属淀积在阴极，而且，电流越大，金属淀积的越多。电镀法具有较高的淀积速率和好的稳定性，是目前研究的趋势。38当前38页，总共59页。

39当前39页，总共59页。平坦化

多层互连线引起了大的表面起伏，wafer表面变得不平整。不平整的wafer表面会影响光传播的精确度，无法在其上准确的进行图形制作。平坦化技术就是用来减小或最小化由工艺所导致的表面不平整的问题。40当前40页，总共59页。1.传统的平坦化技术传统的的平坦化技术有反刻法、玻璃回流法以及旋涂膜层法等。（1）反刻

41当前41页，总共59页。反刻法是先淀积一层牺牲层来填充wafer表面的空洞和凹槽，然后再用干法刻蚀技术刻蚀掉牺牲层，通过比低处图形快的刻蚀速率刻蚀掉高处图形达到平坦化的效果。刻蚀直到待刻材料达到最后的厚度，而且牺牲层材料仍然填充着wafer表面的凹槽。反刻工艺有多种，由图形、金属层次等决定。但反刻只能实现局部表面的平坦，不能实现整个表面的平坦化。42当前42页，总共59页。（2）玻璃回流法玻璃回流是在高温下对掺杂氧化硅加热，使其流动，从而达到局部平坦化的效果。但这种方法不能满足深亚微米集成电路中的多层金属布线技术的要求。43当前43页，总共59页。（3）旋涂膜层法旋涂膜层是在wafer表面旋涂不同液体材料以获得平坦化的一种技术，主要用于0.35μm及以上尺寸的器件平坦化与缝隙填充。这种方法的平坦化效果与溶液的成分、分子重量等因素都有关。旋涂的材料可以是光刻胶、掺杂二氧化硅或各种树脂。旋涂后通过烘烤蒸发掉溶剂，留下氧化硅填充低处的间隙，为了进一步填充表面的缝隙，可采用CVD法再淀积一层氧化硅。44当前44页，总共59页。传统的平坦化方法都只是局部化的平坦，如果是整个平面的介电层平坦则通常采用化学机械抛光法来完成。2.化学机械平坦化（CMP）CMP是利用wafer和抛光头之间的运动来平坦化的，通过比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得平坦的表面。抛光头与wafer之间有磨料，利用加压使得磨料与wafer表面相互作用达到平坦化的效果。CMP的抛光精度比较高，是目前使用最广泛的平坦化技术。45当前45页，总共59页。46当前46页，总共59页。（1）抛光机理氧化硅抛光是wafer制造中使用最早、最广泛的CMP技术，是用来进行层间介质的全局平坦的。抛光时，磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，即表面水合作用。水合作用降低了氧化硅的硬度、机械强度以及化学耐久性。抛光过程中，wafer表面由于摩擦产生的热量也会降低氧化硅的硬度。硬度降低的氧化硅被磨料中的颗粒机械地磨去，起到平坦的作用。47当前47页，总共59页。金属抛光时，磨料与金属表面接触并使其氧化生成金属氧化物，而后生成的氧化物被磨料中的颗粒机械地磨掉，重复进行这一过程，最终得到平坦的表面。抛光结束，为了消除wafer表面的微小擦痕和颗粒，需要用去离子水对其进行清洗。（2）图形密度效应CMP技术对图形比较敏感，高密度区比低密度区抛光速率要大。在芯片表面既有很密的金属互连线区域，也有几乎没有金属连线的区域，这都会使得抛光效果受到影响。48当前48页，总共59页。49当前49页，总共59页。当金属线排列比较紧密时，抛光过程可能会对金属线产生不必要的侵蚀，图形区域金属、氧化物被减薄。产生侵蚀的原因是抛光金属层时，对其下方的氧化硅产生轻微的过抛光，高密度图形区域，侵蚀比较严重。为了减小侵蚀，应缩短抛光过程。也可在抛光过程中加入缓冲氧化层，用来平坦氧化层的凸出区域，来减小侵蚀。50当前50页，总共59页。CMP的另一个缺陷是凹陷，即图形中央抛光量较大。缺陷的大小与被抛光图形的宽窄有关，图形越宽，凹陷越大；凹陷也会受到抛光垫硬度的影响，软的抛光垫适合与软的金属线；抛光时，施加的压力越大，凹陷也越大。51当前51页，总共59页。（3）磨料和抛光垫磨料和抛光垫是抛光过程的消耗品，它们对化学机械抛光的质量影响非常大，必须严加控制。